TEMA 23 Reducción DEL Nitrato Y Asimilación DEL Nitrógeno PDF

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Profesor: Carlota Poschenrieder
Universidad Autónoma de Barcelona
Asignatura: Nutrición y metabolismo vegetal
Idioma: Castellano
No sé qué más escribir la verdad de verdad...

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TEMA 23: REDUCCIÓN DE NITRATO Y ASIMILACIÓN DEL NITRÓGENO

Las plantas son autótrofas para el carbono y el NITRÓGENO. Para la asimilación del nitrógeno necesitan la forma reducida en amonio y, por tanto, primero deben reducir el nitrato a amonio.

COMPOSICIÓN DE LA ATMÓSFERA Y COMPOSICIÓN DE LA PLANTA El nitrógeno (N2) está abundantemente presente en nuestra atmósfera (78%) en comparación con otros gases, como el O2 o el CO2. Por tanto, hay mucho nitrógeno, pero NO TODO está disponible para las plantas directamente. El N2 tiene un triple enlace y reacciona muy poco. Solo las bacterias son capaces de reducir el N2 a NH4+. Para un buen funcionamiento de las plantas, estas deben contener un 1-4% de nitrógeno total en peso seco. Es esencial para la síntesis de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y metabolitos secundarios. Las formas de absorción de nitrógeno son: • • • •

Nitrato. Nitrito. Urea. N2. Solo es asimilable en simbiosis con diazótrofos (leguminosas).

CICLO DEL NITRÓGENO El ciclo del nitrógeno en la Tierra viene sustentado por bacterias y plantas e implica un cambio en el estado de oxidación del nitrógeno que se representa en el siguiente esquema:

1. El nitrógeno puede adoptar diferentes estados de óxido-reducción desde -3 a +5. El nitrógeno gas (N2) es reducido por bacterias diazótrofas a NH3, que en presencia de agua puede formar cationes NH4+. 2. El NH4+ es una forma disponible para las plantas pero inestable en los suelos, por lo que puede ser oxidado por bacterias nitrificantes a hidróxido de amonio (NH2OH) y posteriormente a nitrito (NO2-) y nitrato (NO3-).

3. Este NO3- ya es disponible para las plantas, pero para ser asimilado debe ser reducido por nitrato reductasa o una reducción asimilatoria/disimilatoria a NO2- y posteriormente a NH4+, que será asimilado. 4. El NO3- también puede ser reciclado reduciéndolo a N2 de nuevo mediante bacterias desnitrificantes, que implican la reducción de NO3- a NO2-, a óxido nítrico (NO), a óxido nitroso (N2O) y finalmente a N2. 5. También se puede formar N2 por la oxidación del NH4+ (pasando por el hidruro de nitrógeno, N2H4), a través de bacterias ANAMMOX. Estos diferentes estados de óxido-reducción del nitrógeno pueden intercambiarse en función de la actividad biológica de las bacterias de plantas que contribuyen al reciclaje de nitrógeno entre suelo y atmósfera.

REDUCCIÓN DE N2 POR BACTERIAS Para reducir el nitrógeno gas a 2 moléculas de amonio se necesitan 6 electrones, pero en la reacción se necesitan 8 electrones por la actividad de la nitrogenasa que lleva a cabo además la reducción de 2 protones a hidrógeno gas. El balance global es:

NITRIFICACIÓN POR BACTERIAS El amonio puede provenir de los residuos vegetales y animales o de la urea. La urea mediante enzimas de bacterias (nitrificantes) y de las propias plantas (ureasa) se transforma en amonio y posteriormente este es oxidado a nitrito y después a nitrato.

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Oxidación a nitrito: Implica la producción de 4 H+ por nitrosomonas. Se produce una acidificación del terreno. Oxidación a nitrato: Por nitroacter y nitrospina.

NITRÓGENO ABSORBIBLE POR PLANTAS • • • •

Nitrato (NO3-) Nitrito (NO2- (pero poco estable en el suelo) Amonio (NH4+) Urea (CO(NH2)2)

Las formas principales son: Nitrato en suelos ácidos y alcalinos y amonio (que es la forma predominante) en los suelos ácidos. •

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En suelo: Oxidación de la urea hasta nitrato. La ureasa transforma la urea a amonio, que es directamente asimilado, y las bacterias nitrificantes transforman el amonio en nitrito y posteriormente nitrato. En planta: Se añade la reducción del nitrato hasta amonio por la acción de la nitrato reductasa (NO3- a NO2-) y la nitrito reductasa (NO2- a NH4+).

EN LAS RAÍCES Y EN LAS HOJAS 1. La forma de absorción es el nitrato, que entra en las células de las raíces o de las hojas y en el citosol es reducido a nitrito. 2. El nitrito entra en los cloroplastos y es reducido a amonio. 3. El amonio rápidamente es asimilado sobre esqueletos de carbono formando aminoácidos que son exportados vía xilema o vía floema hacia las hojas o las raíces, respectivamente. El nitrato también puede ser exportado directamente a las hojas vía xilema o almacenado en las vacuolas de las raíces o de las hojas.

MECANISMOS DE TRANSPORTE La absorción inicial de nitrato se da a través de un cotransporte de H+ y NO3- en la membrana plasmática a favor de gradiente, que se genera gracias a una bomba de protones que utiliza la energía de hidrólisis de ATP para bombear los H+ desde el citosol al apoplasto. Este gradiente facilita el cotransporte de H+ y NO3- al interior del citosol. También existe un cotransporte de H+ y NO3- desde la vacuola al citosol. La diferencia de este cotransportador de tonoplasto respecto al de plasmalema, es que el primero transporta H+ y NO3- en relación 1:1 y el otro en relación 2:1. También existen canales de nitrato a nivel de vacuola y transportadores específicos para cationes NH4+ en la membrana plasmática.

ENZIMAS DE REDUCCIÓN DE NITRATO A NITRITO Y A AMONIO Las enzimas responsables de la reducción de nitrato a nitrito y a amonio en las plantas son pequeñas cadenas de transporte de electrones.

NITRATO REDUCTASA Está localizada en el citoplasma. La nitrato reductasa requiere de la transferencia de 2 electrones. El donador de electrones de esta enzima es el NADH. La nitrato reductasa tiene tres dominios: FAD (flavin adenina dinucleótido), citocromo b557 y factor MoCo (cofactor molibdeno), que es el lugar específico donde el molibdeno tiene una función imprescindible en las plantas. El factor MoCo está formado por azufre y molibdeno. La nitrato reductasa se trata de un complejo proteico bastante complicado con tres dominios y diferentes potenciales redox que permiten la transferencia de los 2 electrones desde el NADH hasta el pack nitrato-nitrito.

NITRITO REDUCTASA Está localizada dentro del cloroplasto. Es también un complejo proteico que consta de un centro Fe-S y un sirohemo (tetrapirrol con Fe como átomo central estabilizante). El donador de 6 electrones es un grupo de 6 ferredoxinas reducidas (que proceden de la cadena de transporte electrónico). Quedan 6 ferredoxinas oxidadas y estos 6 electrones pasan del sirohemo hacia el nitrito obteniéndose amonio y 2 H2O.

La luz es la fuente energética para la reducción del nitrito a amonio, ya que es la cadena de transporte de electrones la que proporciona la ferredoxina reducida, que a su vez puede reducir NAD a NADH y ceder los 6 electrones a nitrito para obtener amonio.

ASIMILACIÓN DEL NH4+ (SISTEMA GS-GOGAT) GS-GOGAT representa las dos enzimas responsables de la asimilación: • •

Glutamina sintasa (GS) Glutamina-2-oxoglutarato aminotransferasa oxidorreductasa (GOGAT)

Este proceso requiere de energía en forma de ATP y poder reductor. 1. La enzima GS utiliza ATP para unir el amonio sobre glutamato en forma de grupo amino en el C5. Se forma glutamina como primer producto estable de la asimilación del nitrógeno inorgánico. 2. La enzima GOGAT se encarga de transferir el nitrógeno (grupo amino) del C5 de la glutamina sobre un oxoácido (oxoglutarato) dando lugar a glutamato y quedando como residuo también glutamato. Esta transferencia requiere de una transaminación por una aminotransferasa y una reducción de óxido-reducción, es decir, se requiere de poder reductor que viene proporcionado por ferredoxina reducida o NADPH. 3. A partir de uno de los glutamatos se transfiere este grupo amino sobre otros compuestos como oxoácidos (oxalacetato) mediante aminotransferasas transformándose en aspartato y quedando como residuo oxoglutarato.

GLUTAMATO DESHIDROGENASA Puede ocurrir tanto en el cloroplasto, donde la enzima trabaja con NADPH, y en el citosol o mitocondria, donde trabaja con NADH. Estas enzimas consumen poder reductor y transfieren el amonio directamente sobre 2 oxoglutaratos dando lugar a glutamato.

REGULACIÓN DE LA NITRATO REDUCTASA La nitrato reductasa es la enzima clave de la entrada del nitrógeno a la célula, pero para después ser asimilado necesita ser reducido a nitrito y posteriormente a amonio. Este proceso de

reducción del nitrógeno es costoso energéticamente y es lógico que el paso de la nitrato reductasa sea el más regulado en el sistema. La regulación de la nitrato reductasa ocurre a dos niveles:

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Regulación de la actividad génica: De los genes que codifican para la nitrato reductasa. La actividad génica es activada por la presencia de nitrato en el sustrato. En suelos donde no hay nitrato y la forma predominante del nitrógeno es el amonio, las plantas no expresan la nitrato reductasa. Cuando a estas plantas se les ofrece nitrógeno en forma de nitrato, se induce la activación de los genes de la nitrato reductasa. También es inducida por luz y la presencia de glucosa (indica que hay esqueletos de carbono para formar más aminoácidos). Al contrario, la acumulación de glutamina reduce la transcripción de los genes de la nitrato reductasa porque indica que la glutamina es incapaz de transferir el grupo amino a oxoácidos para formar aminoácidos.

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Regulación de la actividad enzimática: De la propia enzima. La nitrato reductasa puede encontrarse de manera activa, inactiva y un estado intermedio. El estado activo es no fosforilado (serina no fosforilada) y es favorecido por una fosfatasa, que es activada por la luz. Por el contrario, el estado inactivo es desfosforilado (serina fosforilada) y es favorecido por una quinasa, que es activada por calcio citoplasmático e inhibida por la luz y la presencia de triosa fosfato o glucosa-6 fosfato (la disponibilidad de esqueletos de carbono). En estado fosforilado, la nitrato reductasa, aunque se active, es asequible a la presencia de un inhibidor que se une a la nitrato reductasa fosforilada y esta unión mantiene inactiva la nitrato reductasa. Este proceso es reversible.

NO SE ESTUDIA. El metabolismo del nitrógeno tiene muchas más implicaciones. •

El óxido nítrico (NO) es una señal importante en diferentes procesos de desarrollo de las plantas en respuestas a estrés.

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La asimilación de nitrato, nitrito, amonio e incorporación sobre glutamato para formar glutamina mediante el sistema GS-GOGAT está relacionado con otras vías principales y la formación de otros compuestos nitrogenados (prolina) o con el ciclo de la urea (formación de arginina). A partir de arginina u ornitina derivan las diferentes poliaminas como putresinas, espermidina y espermina, que son moléculas policatiónicas con múltiples grupos aminos que tienen una regulación del crecimiento de las plantas en respuesta al estrés y con el metabolismo del óxido nítrico, H2O2 y estrés oxidativo. El ciclo GS-GOGAT está conectado con el ciclo de Krebs a través de los oxoácidos (2oxoglutarato) y a su vez este ciclo relacionado con el ciclo del nitrógeno, especialmente a través de las poliaminas y las moléculas GAVA....